УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ РЕЗИСТИВНЫХ ФОТОСЕНСОРОВ Российский патент 2005 года по МПК H01L31/00 H01L27/14 

Настоящее изобретение относится к технике машинного зрения и может быть использовано в фотоприемных устройствах, тепловизорах, радиометрах инфракрасного диапазона, а также в датчиках различных устройств автоматики.

Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство формирования видеосигналов резистивных фотосенсоров фирмы Boeing "Uncooled Microbolometr Infa Red Sensor. TV Image Format 320×240 Pixels. U3000 A", December 1997, 45431-509 Reval-8.

Указанное устройство содержит:

массив резистивных фотосенсоров, массив дифференциальных усилителей, каждый из которых подключен входами непосредственно или через ключи к измерительной диагонали моста, образованного непосредственным соединением или через ключи в одной ветви одним фотосенсором и одним резистором, в другой ветви схемой формирования опорного напряжения, а выходами ко входам управляемых напряжением генераторов тока, подключенных выходами к интегрирующим конденсаторам, соединенным с ключами восстановления потенциала,

массив последовательно соединенных элементов выборки хранения и буферных усилителей, подключенных входами непосредственно или через ключи к интегрирующим конденсаторам,

один или группу выходных усилителей, подключенных входами через ключи мультиплексора аналоговых сигналов к выходам буферных усилителей, а выходами - к внешним выводам устройства.

Однако известные устройства имеют следующие недостатки: чувствительность из-за небольшого коэффициента усиления усилителей (30-300) невелика, динамический диапазон мал (60-80 дБ). Невысокие чувствительность и динамический диапазон связаны с тем, что фотосенсоры имеют технологический разброс темновых сопротивлений (до 10%). Это создает на входах усилителей значительные отклонения темновых напряжений от номинального (т.н. «геометрический шум»), превосходящие максимальный уровень фотосигналов в десятки и сотни раз. Из-за большого «геометрического шума» коэффициент усиления усилителей, а следовательно, чувствительность и динамический диапазон, не могут быть сделаны высокими во избежание их перегрузки (насыщения) «геометрическим шумом».

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение чувствительности и динамического диапазона устройства формирования сигналов резистивных фотосенсоров.

Указанный результат достигается за счет того, что в известном устройстве, содержащем массив резистивных фотосенсоров, массив дифференциальных усилителей, каждый из которых подключен входами непосредственно или через ключи к измерительной диагонали моста, образованного непосредственным соединением или через ключи в одной ветви одним фотосенсором и одним резистором, в другой ветви схемой формирования опорного напряжения, а выходами - ко входам управляемых напряжением генераторов тока, подключенных выходами к интегрирующим конденсаторам, соединенным с ключами восстановления потенциала, массив последовательно соединенных элементов выборки хранения и буферных усилителей, подключенных входами непосредственно или через ключи мультиплексора к интегрирующим конденсаторам, один или группу выходных усилителей, подключенных входами через ключи мультиплексора аналоговых сигналов к выходам буферных усилителей, а выходами - к внешним выводам устройства, предложено:

- резистивные фотосенсоры выполнены из варизонных гетероэпитаксиальных слоев, имеющих разную ширину запрещенной зоны: минимальную в фоточувствительном слое и увеличивающуюся в обе стороны по мере удаления от фоточувствительного слоя,

- к каждому интегрирующему конденсатору подсоединена схема, содержащая конденсатор компенсирующего заряда, подключенный к ключу восстановления его потенциала, и через последовательно соединенные ключ адресации компенсации и ключ обратной связи - к схеме передачи порции заряда от конденсатора компенсирующего заряда на интегрирующий конденсатор,

- к каждому интегрирующему конденсатору присоединен вход компаратора, соединенный другим входом с шиной опорного потенциала, а выходом с управляющим электродом ключа обратной связи и непосредственно или через четвертые ключи мультиплексора - со счетным входом счетчика-регистра, каждый разряд которого соединен с массивом ячеек памяти, управляемых схемой адресации обмена с памятью, шинами записи и считывания данных из счетчика-регистра и передачи их в ячейки памяти и в счетчик-регистр из ячеек памяти, соединенными соответственно с выходом и со входом разрядов счетчика-регистра,

- имеются также схема адресации считывания из памяти и мультиплексированные шины считывания для передачи цифровых данных, накопленных в ячейках памяти, на цифровые выходы.

Кроме того, предложено резистивные фотосенсоры выполнять из слоев варизонной гетероэпитаксиальной структуры, в которой ширина запрещенной зона в фоточувствительном слое меньше ширины запрещенной зоны при удалении от фоточувствительного слоя не менее чем на 0,1 эВ.

Дополнительно схема формирования опорного напряжения выполнена в виде резистивного делителя, подключенного параллельно ветви моста, содержащей фотосенсор.

Дополнительно резисторы в ветвях моста выполнены в виде изолированных от воздействий резистивных сенсоров.

Дополнительно схема передачи порции заряда выполнена в виде истокового повторителя, подключенного истоком к конденсатору компенсирующего заряда непосредственно или через ключи обратной связи и адресации компенсации, затвором - к шине потенциала, определяющего величину порции компенсирующего заряда, а стоком - к интегрирующему конденсатору.

Дополнительно массивы резистивных фотосенсоров, изолированных резистивных сенсоров, дифференциальных усилителей, элементов выборки-хранения и буферных усилителей, счетчиков-регистров, ячеек памяти выполнены в виде матриц или линеек.

Дополнительно резистивные фотосенсоры и изолированные резистивные сенсоры выполнены на одной подложке, а электронная схема формирования сигналов выполнена на другой подложке, и соединены друг с другом с помощью проволок или через столбиковые контакты методом перевернутого монтажа (флип-чип).

Указанный выше технический результат достигается совокупностью перечисленных выше признаков изобретения.

Увеличение чувствительности и динамического диапазона достигается за счет снижения технологического разброса величин резистивных фотосенсоров, выполненных из варизонных гетероэпитаксиальных слоев, значительного (в сотни раз) повышения верхней границы насыщения усилителей, которое обеспечивают схемы компенсации заряда, накапливаемого интегрирующими конденсаторами, порциями с использованием компараторов в цепях обратной связи, как датчиков угрозы переполнения зарядов. Компенсация зарядов малыми порциями сопровождается их подсчетом в счетчиках-регистрах, т.е. оцифровкой верхней части динамического диапазона сигналов, каждого сенсора, что значительно улучшает точность работы устройства в широком динамическом диапазоне (до 100 дБ), несмотря на относительно большой разброс параметров сенсоров. Кроме того, индивидуальная компенсация позволяет увеличить ток дифференциального усилителя и генератора тока, что увеличивает отношение сигнала к шуму и, следовательно, еще более увеличивает динамический диапазон.

Дополнительные признаки изобретения направлены на дальнейшее улучшение технических характеристик устройства.

Выполнение резистивных фотосенсоров на эпитаксиальных гетероструктурах, в которых ширина запрещенной зоны в фоточувствительном слое меньше ширины запрещенной зоны при удалении от фоточувствительного слоя не менее чем на 0,1 эВ, увеличивает их чувствительность и однородность вследствие уменьшения скорости рекомбинации неосновных носителей, порожденных излучением, на периферийных поверхностях фотосенсоров.

Схема формирования опорного напряжения на входах дифференциальных усилителей в виде резистивных делителей и особенно в виде изолированных от воздействий резистивных сенсоров уменьшает разброс темновых сигналов и, следовательно, дополнительно увеличивает чувствительность и динамический диапазон устройства.

Схема передачи порции компенсирующего заряда от компенсирующего конденсатора на интегрирующий конденсатор, выполненная в виде истокового повторителя, обеспечивает постоянство компенсирующей порции заряда и точность ее передачи.

Матричное или линейное расположение массивов сенсоров, дифференциальных усилителей, элементов выборки-хранения и других элементов устройства, а также соединение сенсоров с электронной частью через столбиковые контакты (флип-чип) позволяют выполнить устройство в интегральном виде, что уменьшит разброс параметров и, следовательно, увеличит динамический диапазон.

Перечень графических материалов, иллюстрирующих заявляемое изобретение.

Фиг.1 иллюстрирует известное устройство формирования сигналов резистивных фотосенсоров (прототип).

Фиг.2 иллюстрирует предлагаемое устройство формирования сигналов резистивных фотосенсоров.

Устройство формирования сигналов резистивных фотосенсоров состоит (см. фиг.1 и 2) из массива резистивных фотосенсоров 1, массива дифференциальных усилителей (2), каждый из которых подключен входами непосредственно или через ключи (3) подключения усилителя (2) к измерительной диагонали моста, образованного непосредственным соединением или через ключи (4) адресного образования моста в одной ветви одним фотосенсором (1) и одним резистором (5), в другой ветви схемой формирования опорного напряжения (6), а выходами - ко входам управляемых напряжением генераторов тока (7), подключенных выходами к интегрирующим конденсаторам (8), которые соединены с ключами восстановления потенциала (9), массива последовательно соединенных элементов выборки-хранения (10) и буферных усилителей (11), подключенных входами непосредственно или через разделительные ключи ключи (12) к интегрирующим конденсаторам (8), одного или группы выходных усилителей (13), подключенных входами через третьи ключи (14) мультиплексора аналоговых сигналов к выходам буферных усилителей (11), а выходами - к внешним выводам устройства (15).

К каждому интегрирующему конденсатору (8) подсоединена схема, содержащая конденсатор компенсирующего заряда (16), подключенный к ключу восстановления его потенциала (17), и через последовательно соединенные ключ адресации компенсации (18) и ключ обратной связи (19) - к схеме передачи порции заряда (20) от конденсатора компенсирующего заряда (16) на интегрирующий конденсатор (8).

К каждому интегрирующему конденсатору присоединен одним входом компаратор (21), соединенный другим входом с шиной опорного потенциала (22), а выходом с управляющим электродом ключа обратной связи (19) и непосредственно или через цифровые ключи (23) - со счетным входом счетчика-регистра (24), каждый разряд которого (25) соединен с массивом ячеек памяти (26), управляемых схемой адресации (27) обмена с памятью, и шинами записи (28) и считывания (29) данных из счетчика-регистра (24) в ячейку памяти (26) и в счетчик-регистр (24) из ячеек памяти (26), соединенными соответственно с выходом и со входом разрядов (25) счетчика-регистра (24), имеется также схема адресации (30) считывания из памяти, мультиплексированные шины считывания (31) для передачи цифровых данных, накопленных в ячейках памяти (26), на цифровые выходы (32).

Устройство работает следующим образом.

Оптическое излучение, попадая на резистивный фотосенсор (1), выводит измерительный мост, образованный элементами 1, 3, 4, 5, 6 из баланса, создавая на измерительной диагонали моста, подключенной ко входам дифференциального усилителя (2), напряжение, пропорциональное интенсивности излучения. Это напряжение преобразуется генератором тока (7) в ток, который интегрируется на конденсаторе (8) за время, определяемое интервалом Ти между включениями ключа (9), восстанавливающим при включении фиксированное напряжение на конденсаторе, соответствующее балансу моста. При постоянном периоде Ти включения ключа (9) напряжение на интегрирующем конденсаторе перед моментом включения ключа (9) пропорционально интенсивности излучения на фотосенсоре. Это напряжение передается на элемент выборки-хранения (ЭВХ) (10) при включении ключа (12) во время прихода короткого тактового импульса (ТИВХ). Усиленное буферным усилителем (11), это напряжение передается на один из группы выходных усилителей (13) в момент включения ключа (14) мультиплексора. Вольт/ваттная чувствительность на выходах (15) усилительных каналов образованных усилителями (2), (11), (13), ЭВХ (10) и интегрирующим конденсатором (8), зависит от величины емкости конденсатора (8). Чем меньше емкость, тем выше вольт/ваттная чувствительность. Малая емкость позволяет применять простые усилители с малой потребляемой мощностью. Однако при малой емкости конденсатора (8) происходит насыщение интегратора разбалансом постоянной составляющей тока смещения генератора (7). Эта составляющая тока, вызванная технологическим разбросом, не может быть уменьшена уменьшением рабочего тока генератора (7), так как это вызовет увеличение шума и, следовательно, снижение динамического диапазона. Для того чтобы исключить насыщение при малой емкости, служит цепь обратной связи, включающая конденсатор компенсирующего заряда (16), ключи 17, 18 и 19, схему передачи порции заряда (20) и компаратор (21). Эта цепь служит для периодической передачи схемой (20) на интегрирующий конденсатор (8) порции фиксированного заряда, создаваемого на конденсаторе (16) напряжением VRES2 при кратковременном включении ключа (17), ключа адресации компенсации (18) и ключа обратной связи (19), который включается, когда напряжение на конденсаторе (8) достигает величины, отстоящей от уровня насыщения на величину, задаваемую опорным потенциалом на входе компаратора (22). Количество порций компенсирующего заряда, переданное на интегрирующий конденсатор (8) за период Ти, и, следовательно, количество включений компаратора пропорционально интенсивности излучения на фотосенсоре. Это количество подсчитывается счетчиком (24) при подключении его через цифровой ключ (23). Чтобы счетчик (24) мог за период Ти подсчитать количества переключений группы компараторов, подключаемых последовательно к нему ключами мультиплексора (3), (4) и 23, он передает промежуточные результаты счета от каждого компаратора группы в память (26), а при новом цикле забирает их обратно для продолжения счета. Адресацию памяти (26) при этом осуществляет схема (27). После прохождения 2ⁿ циклов (n - число разрядов счетчиков) количества переключений компараторов для всех фотосенсоров будут подсчитаны и помещены в память (26). Оттуда при отключенных цифровых ключах (23) n-разрядные цифровые значения интенсивностей излучения на фотосенсорах передаются последовательно на цифровые выходы (32) под управлением схемы адресации (30) считывания из памяти. Цифровые данные имеют точность кванта компенсирующего заряда на конденсаторе (16). Промежуточные значения между квантами в аналоговом мультиплексированном виде получаются на выходах (15) выходных усилителей (13).

Если фотосенсоры образуют матрицу с m строками и n столбцами, то количество разрядов в счетчике (24) может быть равным целому от log₂m, емкость памяти (26) при каждом разряде счетчика равна m бит, количество усилителей (13) от 1 до 8, количество цифровых выходов равно от одного уплотненного до целого от log₂m; количество усилителей (2), генераторов тока (7), конденсаторов (8) и (16), компараторов (21) равно - n.

Изобретение относится к технике машинного зрения и может быть использовано в фотоприемных устройствах, тепловизорах, радиометрах инфракрасного диапазона, а также в датчиках различных устройств автоматики. Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение чувствительности и динамического диапазона. Новым в предложенном устройстве является то, что резистивные фотосенсоры выполнены из гетероэпитаксиальных слоев, имеющих разную ширину запрещенной зоны. К каждому интегрирующему конденсатору подсоединена схема, содержащая конденсатор компенсирующего заряда, подключенный к ключу восстановления его потенциала, и через последовательно соединенные ключ адресации компенсации и ключ обратной связи - к схеме передачи порции заряда от конденсатора компенсирующего заряда на интегрирующий конденсатор. К каждому интегрирующему конденсатору усилителя присоединен компаратор, соединенный выходом с управляющим электродом ключа обратной связи и со счетным входом счетчика-регистра, каждый разряд которого соединен с массивом ячеек памяти, управляемых схемой адресации обмена счетчиков с памятью, шинами записи и считывания данных передачи их из счетчика в память и в счетчик из памяти. Ячейки памяти соединены с разрядами счетчика-регистра. Устройство содержит схему адресации считывания из памяти и мультиплексированные шины считывания для передачи цифровых данных на цифровые выходы. 16 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство формирования сигналов резистивных фотосенсоров, содержащее массив резистивных фотосенсоров, массив дифференциальных усилителей, каждый из которых подключен входами непосредственно или через ключи к измерительной диагонали моста, образованного непосредственным соединением или через ключи в одной ветви одним фотосенсором и одним резистором, в другой ветви - схемой формирования опорного напряжения, а выходами - ко входам управляемых напряжением генераторов тока, подключенных выходами к интегрирующим конденсаторам, которые соединены с ключами восстановления потенциала, массив последовательно соединенных элементов выборки-хранения и буферных усилителей, подключенных входами непосредственно или через вторые ключи к интегрирующим конденсаторам, один или группу выходных усилителей, подключенных входами через ключи мультиплексора аналоговых сигналов к выходам буферных усилителей, а выходами - к внешним выводам устройства, отличающееся тем, что резистивные фотосенсоры выполнены из варизонных гетероэпитаксиальных слоев, имеющих разную ширину запрещенной зоны: минимальную в фоточувствительном слое и увеличивающуюся в обе стороны по мере удаления от фоточувствительного слоя, к каждому интегрирующему конденсатору подсоединена схема, содержащая конденсатор компенсирующего заряда, подключенный к ключу восстановления его потенциала и через последовательно соединенные ключ адресации компенсации и ключ обратной связи - к схеме передачи порции заряда от конденсатора компенсирующего заряда на интегрирующий конденсатор, к которому присоединен вход компаратора, соединенный другим входом с шиной опорного потенциала, а выходом - с управляющим электродом ключа обратной связи и непосредственно или через третьи ключи - со счетным входом счетчика-регистра, каждый разряд которого соединен с массивом ячеек памяти, управляемых схемой адресации обмена с памятью, и шинами записи и считывания данных передачи их из счетчика-регистра в ячейки памяти и в счетчик-регистр из ячеек памяти, соединенных соответственно с выходами и со входами разрядов счетчика-регистра, устройство также содержит схему адресации считывания из памяти и мультиплексированные шины считывания для передачи цифровых данных, накопленных в ячейках памяти, на цифровые выходы.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что резистивные фотосенсоры выполнены из слоев варизонной гетероэпитаксиальной структуры, в которой ширина запрещенной зоны в фоточувствительном слое меньше ширины запрещенной зоны при удалении от фоточувствительного слоя не менее чем на 0,1 эВ.3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что схема формирования опорного напряжения выполнена в виде резистивного делителя, подключенного параллельно ветви моста, содержащей фотосенсор и резистор.4. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что резисторы в ветвях моста выполнены в виде изолированных от воздействий резистивных сенсоров.5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что резисторы в ветвях моста выполнены в виде изолированных от воздействий резистивных сенсоров.6. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что схема передачи порции заряда выполнена в виде истокового повторителя, подключенного истоком к конденсатору компенсирующего заряда непосредственно или через ключи обратной связи и адресации компенсации, затвором - к шине потенциала, определяющего величину порции компенсирующего заряда, а стоком - к интегрирующему конденсатору.7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что схема передачи порции заряда выполнена в виде истокового повторителя, подключенного истоком к конденсатору компенсирующего заряда непосредственно или через ключи обратной связи и адресации компенсации, затвором - к шине потенциала, определяющего величину порции компенсирующего заряда, а стоком - к интегрирующему конденсатору.8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что схема передачи порции заряда выполнена в виде истокового повторителя, подключенного истоком к конденсатору компенсирующего заряда непосредственно или через ключи обратной связи и адресации компенсации, затвором - к шине потенциала, определяющего величину порции компенсирующего заряда, а стоком - к интегрирующему конденсатору.9. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что массивы резистивных фотосенсоров, изолированных резистивных сенсоров, дифференциальных усилителей, элементов выборки-хранения и буферных усилителей, счетчиков-регистров и ячеек памяти выполнены в виде матриц или линеек.10. Устройство по п.3, отличающееся тем, что массивы резистивных фотосенсоров, изолированных резистивных сенсоров, дифференциальных усилителей, элементов выборки-хранения и буферных усилителей, счетчиков-регистров и ячеек памяти выполнены в виде матриц или линеек.11. Устройство по п.4, отличающееся тем, что массивы резистивных фотосенсоров, изолированных резистивных сенсоров, дифференциальных усилителей, элементов выборки-хранения и буферных усилителей, счетчиков-регистров и ячеек памяти выполнены в виде матриц или линеек.12. Устройство по п.6, отличающееся тем, что массивы резистивных фотосенсоров, изолированных резистивных сенсоров, дифференциальных усилителей, элементов выборки-хранения и буферных усилителей, счетчиков-регистров и ячеек памяти выполнены в виде матриц или линеек.13. Устройство по пп.1 и 2, в котором резистивные фотосенсоры и изолированные резистивные сенсоры выполнены на одной подложке, а другие элементы устройства формирования сигналов выполнены на другой подложке, при этом подложки соединены друг с другом с помощью проволок или методом перевернутого монтажа через столбиковые контакты (флип-чип).14. Устройство по п.3, в котором резистивные фотосенсоры и изолированные резистивные сенсоры выполнены на одной подложке, а другие элементы устройства формирования сигналов выполнены на другой подложке, при этом подложки соединены друг с другом с помощью проволок или методом перевернутого монтажа через столбиковые контакты (флип-чип).15. Устройство по п.4, в котором резистивные фотосенсоры и изолированные резистивные сенсоры выполнены на одной подложке, а другие элементы устройства формирования сигналов выполнены на другой подложке, при этом подложки соединены друг с другом с помощью проволок или методом перевернутого монтажа через столбиковые контакты (флип-чип).16. Устройство по п.6, в котором резистивные фотосенсоры и изолированные резистивные сенсоры выполнены на одной подложке, а другие элементы устройства формирования сигналов выполнены на другой подложке, при этом подложки соединены друг с другом с помощью проволок или методом перевернутого монтажа через столбиковые контакты (флип-чип).17. Устройство по п.9, в котором резистивные фотосенсоры и изолированные резистивные сенсоры выполнены на одной подложке, а другие элементы устройства формирования сигналов выполнены на другой подложке, при этом подложки соединены друг с другом с помощью проволок или методом перевернутого монтажа через столбиковые контакты (флип-чип).